Схема понижающего преобразователя 12 В в 5 В с использованием MC34063

В предыдущем руководстве мы продемонстрировали детальный дизайн повышающего преобразователя с использованием MC34063, где был разработан повышающий преобразователь с 3,7 В до 5 В. Здесь мы видим, как преобразовать 12V в 5V. Поскольку мы знаем, что точные батареи 5 В не всегда доступны, и иногда нам нужно одновременно более высокое и более низкое напряжение для управления различными частями схемы, поэтому мы используем источник более высокого напряжения (12 В) в качестве основного источника питания и уменьшаем это напряжение до более низкого напряжения (5 В) там, где это необходимо. Для этой цели во многих электронных устройствах используется понижающий преобразователь, который снижает входное напряжение в соответствии с требованиями нагрузки.

В этом сегменте есть много вариантов; как было показано в предыдущем руководстве, MC34063 - один из самых популярных импульсных стабилизаторов, доступных в таком сегменте. MC34063 может быть сконфигурирован в три режиме, Buck, Boost, и Инвертирование. Мы будем использовать конфигурацию Buck для преобразования источника 12 В постоянного тока в 5 В постоянного тока с выходным током 1 А. Ранее мы построили простую схему понижающего преобразователя с использованием полевого МОП-транзистора; вы также можете проверить здесь много других полезных схем силовой электроники.

IC MC34063

Распиновка MC34063 показана на изображении ниже. С левой стороны показана внутренняя схема MC34063, а с другой стороны показана распиновка.

MC34063 - это 1. 5A Шаг вверх или шаг вниз или инвертирования регулятора, благодаря свойству преобразования напряжения постоянного тока, MC34063 является преобразователь постоянного тока IC.

Эта ИС имеет следующие функции в своем 8-выводном корпусе:

Ссылка с температурной компенсацией
Схема ограничения тока
Генератор с регулируемым коэффициентом заполнения с активным сильноточным выходным переключателем драйвера.
Принимайте от 3,0 В до 40 В постоянного тока.
Может работать при частоте переключения 100 кГц с допуском 2%.
Очень низкий ток в режиме ожидания
Регулируемое выходное напряжение

Кроме того, несмотря на эти функции, они широко доступны и намного экономичнее, чем другие ИС, доступные в таком сегменте.

В предыдущем уроке мы разработали схему повышения напряжения с использованием MC34063 для повышения напряжения литиевой батареи 3,7 В до 5,5 В, в этом уроке мы спроектируем понижающий преобразователь 12 В в 5 В.

Расчет значений компонентов для повышающего преобразователя

Если мы проверим таблицу, мы увидим полную таблицу формул для расчета желаемых значений, необходимых в соответствии с нашими требованиями. Вот таблица формул, доступная внутри таблицы, и также показана схема повышения.

Вот схема без значений этих компонентов, которая будет использоваться дополнительно с MC34063.

Мы рассчитаем значения, необходимые для нашего дизайна. Мы можем произвести расчеты по формулам, представленным в таблице данных, или мы можем использовать таблицу Excel, предоставленную веб-сайтом ON Semiconductor.

Вот ссылка на лист Excel.

https://www.onsemi.com/pub/Collateral/MC34063%20DWS.XLS

Шаги для расчета значений этих компонентов:

Шаг 1: - Сначала нам нужно выбрать диод. Выберем широко доступный диод 1N5819. Согласно спецификации, на 1A прямого тока прямое напряжение диода будет 0,60 В.

Шаг 2: - Сначала мы рассчитываем индуктивность и ток переключения, которые потребуются для дальнейших расчетов. Наш средний ток индуктора будет пиковым током индуктора. Итак, в нашем случае ток индуктора равен:

IL (средн.) = 1A

Шаг 3: - Теперь пришло время для пульсации тока индуктора. Типичный дроссель использует 20-40% среднего выходного тока. Итак, если мы выберем ток пульсации индуктора 30%, он будет 1А * 30% = 0,30А.

Шаг 4: - Пиковый ток переключения будет IL (avg) + Iripple / 2 = 1 + 0,30 / 2 = 1,15A.

Шаг 5: - Мы рассчитаем t _ON / t _OFF, используя формулу ниже

Для этого наш Vout равен 5V, а прямое напряжение диода (Vf) равно 0.60V. Наше минимальное входное напряжение Vin (мин.) Составляет 12 В, а напряжение насыщения - 1 В (1 В в таблице данных). Собирая все вместе, мы получаем

(5 + 0,60) / (12-1-5) = 0,93 Итак, t _ВКЛ / t _ВЫКЛ = 0,93 мкс

Шаг 6: - Теперь мы рассчитаем время Ton + Toff по формуле Ton + Toff = 1 / f.

Мы выберем более низкую частоту переключения, 40 кГц.

Итак, Ton + Toff = 1 / 40Khz = 25us

Шаг 7: - Теперь мы будем вычислять TOff время. Поскольку мы ранее рассчитывали Ton + Toff и Ton / Toff, теперь расчет будет проще,

Шаг 8: - Теперь следующий шаг - вычислить Ton, Ton = (Ton + Toff) - Toff = 25us - 12,95us = 12,05us

Шаг 9: - Нам нужно выбрать время Capacitor Ct, которое потребуется для получения желаемой частоты.

Ct = 4,0 × 10 ^-5 х Ton = 4,0 × 10 ^-5 х 12.05uS = 482pF

Шаг 10: - В зависимости от этих значений мы рассчитаем значение индуктора.

Шаг 11: - Для тока 1 А значение Rsc будет 0,3 / Ipk. Итак, для нашего требования это будет Rsc = 0,3 / 1,15 = 0,260 Ом.

Шаг 12: - Давайте вычислим значения выходного конденсатора, мы можем выбрать значение пульсации 100 мВ (от пика до пика) на выходе повышения.

Мы выберем 470uF, 25V. Чем больше будет использовано конденсатора, тем больше будет уменьшаться пульсация.

Шаг 13: - Наконец, нам нужно рассчитать номинал резисторов обратной связи по напряжению. Мы выберем значение R1 2k, поэтому значение R2 будет рассчитываться как

Vout = 1,25 (1 + R2 / R1) 5 = 1,25 (1 + R2 / 2K) R2 = 6,2 тыс.

Принципиальная схема понижающего преобразователя

Итак, посчитав все значения. Вот обновленная схема

Необходимые компоненты

2 шт. Разъема релимейта для входа и выхода
Резистор 2 кОм - 1 шт.
Резистор 6,2 кОм - 1 шт.
1N5819- 1 шт.
Конденсатор 100 мкФ, 25 В и 359,37 мкФ, 25 В (используется 470 мкФ, 25 В, выбрано близкое значение) - по 1 шт.
Катушка индуктивности 62,87 мкГн, 1,5 А 1 шт. (Используется 100uH 2.5A, он был легко доступен на рынке)
Керамический дисковый конденсатор 482 пФ (использованный 470 пФ) - 1 шт.
Блок питания 12 В с номиналом 1,5 А.
Микросхема импульсного регулятора MC34063
Резистор 0,26 Ом (используется 0,3R, 2 Вт)
1 шт. Вероборд (можно использовать пунктирные или соединенные веро).
Паяльник
Паяльный флюс и паяльные провода.
Дополнительные провода при необходимости.

После расстановки компонентов припаяйте компоненты на плате Perf.

Тестирование схемы понижающего преобразователя

Перед тестированием схемы нам нужны переменные нагрузки постоянного тока, чтобы потреблять ток от источника постоянного тока. В небольшой лаборатории электроники, где мы тестируем схему, допуски испытаний намного выше, и из-за этого небольшая точность измерений не на должном уровне.

Осциллограф правильно откалиброван, но искусственные шумы, электромагнитные помехи и радиочастоты также могут изменить точность результатов теста. Кроме того, мультиметр имеет допуски +/- 1%.

Здесь мы будем измерять следующие вещи

Пульсации на выходе и напряжение при различных нагрузках до 1000 мА. Также проверьте выходное напряжение при полной нагрузке.
КПД схемы.
Потребляемый ток холостого хода цепи.
Состояние короткого замыкания в цепи.
Кроме того, что произойдет, если мы перегрузим вывод?

Когда мы тестировали схему, наша комнатная температура составляла 26 градусов Цельсия.

На изображении выше мы видим нагрузку постоянного тока. Это резистивная нагрузка и, как мы видим, десять нет. резисторов 1 Ом при параллельном соединении - это фактическая нагрузка, которая подключена через полевой МОП-транзистор. Мы будем управлять затвором полевого МОП-транзистора и позволять току течь через резисторы. Эти резисторы преобразуют электрическую мощность в тепло. Результат складывается с допуском 5%. Кроме того, эти результаты нагрузки включают потребляемую мощность самой нагрузки, поэтому, когда к ней не подключена нагрузка и питание осуществляется от внешнего источника питания, ток нагрузки по умолчанию будет составлять 70 мА. В нашем случае мы запитаем нагрузку от внешнего стендового блока питания и тестируем схему. Конечный выход будет (Результат - 70 мА).

Ниже представлена наша тестовая установка; мы подключили нагрузку к цепи, мы измеряем выходной ток на понижающем стабилизаторе, а также его выходное напряжение. Осциллограф также подключен к понижающему преобразователю, поэтому мы также можем проверить выходное напряжение. Мы обеспечиваем вход 12 В от нашего настольного блока питания.

Мы рисуем. 88A или 952mA-70mA = 882mA тока от выхода. Выходное напряжение 5.15V.

На этом этапе, если мы проверим пульсацию от пика к пику на осциллографе. Мы видим выходную волну, пульсация 60 мВ (пик-пик). Что хорошо для понижающего преобразователя с переключением 12 В на 5 В.

Форма выходного сигнала выглядит так:

Вот временные рамки выходного сигнала. Это 500 мВ на деление и временные рамки 500 мкс.

Вот подробный отчет об испытаниях

Время (секунды)	Нагрузка (мА)	Напряжение (В)	Пульсация (pp) (мВ)
180	0	5,17	60
180	200	5,16	60
180	400	5,16	60
180	600	5,16	80
180	800	5,15	80
180	982	5,13	80
180	1200	4,33	120

Мы изменили нагрузку и ждали примерно 3 минуты на каждом шаге, чтобы проверить, стабильны ли результаты. После нагрузки 982 мА напряжение значительно упало. В других случаях от 0 нагрузок до 940 мА падение выходного напряжения составляло примерно 0,02 В, что является довольно хорошей стабильностью при полной нагрузке. Кроме того, после нагрузки 982 мА выходное напряжение значительно падает. Мы использовали резистор 0,3R там, где требовалось 0,26R, поэтому мы можем потреблять ток нагрузки 982 мА. MC34063 источник питания не в состоянии обеспечить надлежащую стабильность при полной нагрузке 1А, как мы использовали.3R вместо.26R. Но 982 мА очень близко к выходу 1 А. Кроме того, мы использовали резисторы с допуском 5%, которые чаще всего доступны на местном рынке.

Мы рассчитали КПД при фиксированном входе 12 В и при изменении нагрузки. Вот результат

Входное напряжение (В)	Входной ток (А)	Входная мощность (Вт)	Выходное напряжение (В)	Выходной ток (А)	Выходная мощность (Вт)	Эффективность (n)
12.04	0,12	1,4448	5,17	0,2	1.034	71,56699889
12.04	0,23	2,7692	5,16	0,4	2,064	74,53416149
12.04	0,34	4,0936	5,16	0,6	3,096	75.6302521
12.04	0,45	5,418	5,16	0,8	4,128	76.19047619
12.04	0,53	6,3812	5,15	0,98	5,047	79.09170689

Как мы видим, средний КПД составляет около 75%, что на данном этапе является хорошим показателем.

Ток холостого хода, потребляемый схемой, составляет 3,52 мА при нагрузке 0.

Также мы проверили на короткое замыкание и наблюдаем Нормальное замыкание.

После достижения максимального порогового значения выходного тока выходное напряжение значительно снижается и через определенное время приближается к нулю.

В эту схему можно внести улучшения; мы можем использовать конденсатор более высокого номинала с низким ESR, чтобы уменьшить пульсации на выходе. Также необходимо правильное проектирование печатной платы.